DE10347981A1 - Verschleißschutzschicht für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere für rotierende Zerspanungswerkzeuge - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine harte Verschleißschutzschicht für Werkzeuge, insbesondere für spanabhebende Werkzeuge, wie z. B. rotierende Schaftwerkzeuge, wie Bohrer, Senker, Gewindebohrer, Reibahlen usw., zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen. Bei den Verschleißschutzschichten handelt es sich um etwa 1 bis 10 mum dicke Hartstoffschichten, die bevorzugt mittels PVD (Physical Vapor Deposition) auf der Werkzeugoberfläche abgeschieden werden. Die Verschleißschutzschicht besteht im Wesentlichen aus Nitriden mit den Metallkomponenten Cr, Ti und Al und einem geringen Anteil von Elementen (kappa) zur Kornverfeinerung, mit - jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht - einem Cr-Anteil von über 65%, vorzugsweise 66 bis 70%, einem Al-Anteil von 15 bis 23% und einem Ti-Anteil von 10 bis 15%.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Vergütung von Werkzeugen mit Hilfe von harten Verschleißschutzschichten. Als Werkzeuge kommen spanabhebende Werkzeuge, insbesondere rotierende Schaftwerkzeuge, wie Bohrer, Senker, Gewindebohrer, Reibahlen, usw. zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen in Betracht. Bei den Verschleißschutzschichten handelt es sich um etwa 1 bis 7 μm dicke Hartstoffschichten, die bevorzugt mittels PVD (Physical Vapor Deposition) auf der Werkzeugoberfläche abgeschieden werden.
- Die Fachwelt ist seit geraumer Zeit bemüht eine Verschleißschutzschicht für die trockene Bearbeitung von Metallen zu finden. Als trockene standfeste Bearbeitung bezeichnet man in diesem Zusammenhang die Zerspanung ohne Kühl- und Schmierflüssigkeit, aber auch die Zerspanung mit Minimalmengenschmierung.
- Dabei ging man bei der Entwicklung der Schicht insbesondere bei der Wahl des Schichtmaterials von der Überlegung aus, dass das Werkzeug beim trockenen Spanen wesentlich höhere Temperaturen annimmt und dass diese unerwünschte Temperaturerhöhung reduziert werden kann, wenn ein möglichst hoher Anteil der Wärme nicht über das Werkzeug, sondern über die Späne abtransportiert wird. Es wurde daher in Erwägung gezogen, Materialien zu kombinieren, die entweder für eine hohe Warmhärte und/oder für eine hohe Oxidationsbeständigkeit und/oder für eine niedrige Wärmeleitfähigkeit bekannt waren.
- Die am meisten verbreitete Verschleißschutzschicht besteht aus dem goldgelben Titannitrid TiN. TiN-Schichten sind universell einsetzbar. Schichten aus dem dunklen, blaurot schimmernden Titanaluminiumnitrid (Ti,Al)N sind bekannt für ihre hohe Warmhärte. Sie haben meist ein prozentuales Verhältnis der Titan- zu den Aluminiumatomen von 50:50 bzw. (Ti0,5, Al0,5)N, gelegentlich auch verschoben in Richtung 40:60 bzw. (Ti0,4, Al0,6)N. Bei der Vergütung von Werkzeugen finden sie Anwendung sowohl als Einzelschicht (siehe z.B. Gilles et al., Surface and Coatings Technology 94–95 (1997) 285–290) als auch als (Ti,Al)N/TiN-Mehrlagenschicht mit Zwischenlagen aus Titannitrid (siehe z.B. die sogenannte FIRE-Schicht der Gühring oHG) .
- CrN-Schichten werden für die Bearbeitung von Nichteisenmetallen empfohlen (siehe z.B. P. Hones, Surface and Coatings Technology 94–95 (1997) 398–402).
- Bekannt sind auch McCrAlY-Legierungen (Me = Metall) zur Beschichtung von Turbinenschaufeln. Sie erhöhen die Oxidationsbeständigkeit und die Wärmedämmung und damit die zulässige Temperatur und den Wirkungsgrad von Flugzeugtriebwerken (siehe z.B. W. Brandl et al., Surface and Coatings Technology 94–95 (1997) 21–26).
- Neuerdings wurde auch eine Viellagenschicht (multilayer) aus (Ti,Al)N und CrN bekannt (siehe z.B. I. Wadsworth et al., Surface and Coatings Technology 94–95 (1997) 315– 321). Ihre Oxidationsbeständigkeit war um so höher, je höher der Cr-Anteil war, jedenfalls bis zu Cr-Anteilen von 30 at.%. Im selben Labor wurden auch Schichten aus TiAlN mit geringfügigen Zusätzen von Cr und Y untersucht (Patentschrift
DE 19818782 ), Anmeldedatum 27. April 1998). - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verschleißschutzschicht der eingangs beschriebenen Aufgabe zu schaffen, die sich bei einfacher Herstellung durch ein überlegenes Verschleißverhalten, insbesondere bei der sogenannten Trockenbearbeitung und bei Minimalschmierung, auszeichnet und im Besonderen für hoch abrasive Anwendungen, wie z.B. für die Bearbeitung von Titanlegierungen, GGV und MMC sowie für das sogenannte High Speed Cutting (HSC).
- Diese Aufgabe wird durch eine Verschleißschutzschicht mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 4 gelöst.
- Die Erfindung baut dabei auf dem Inhalt der eigenen, früheren Patentanmeldung P 102 12 383 auf, auf deren Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird und deren Offenbarung in diese Anmeldung mit einbezogen werden soll.
- Im Zuge der Entwicklung der Erfindung wurden Werkzeuge aus HSS (high speed steel) und aus Hartmetall mit verschiedensten Schichten und Schichtsystemen aus folgenden Bestandteilen hergestellt und optimiert: Nitride der Metalle Chrom, Aluminium und Titan und ein geringfügiger Zusatz (etwa bis 1 at %) Yttrium zur Kornverfeinerung. Die Optimierung umfasste folgende Arbeitsgänge: (1) Beschichtung, (2) Analyse der Schichtzusammensetzung, Phasenbestimmung und Texturuntersuchung, (3) Fräsversuche mit verschiedenen Einsatzparametern, (4) Messung des Verschleißverhaltens während der Versuche, (5) Auswertung und Ergebnisse, (6) Beschichtung gleicher Werkzeuge mit einer Schicht mit veränderter prozentualer Zusammensetzung der Metallatome, usw.
- Es wurde aufbauend auf den Versuchen, die zum Inhalt der älteren Patentanmeldung P 102 12 383 geführt haben, herausgefunden, dass das beste Verschleißverhalten bei hoch abrasiven Anwendungen durch die erfindungsgemäße Steigerung des Cr-Anteils in der gesamten Schicht am Gesamtmetallgehalt auf Werte über 65 at % erzielt wird. Die Anteile von Al und Ti werden dabei entsprechend verringert auf 15 bis 23 at % bzw. 10 bis 15 at % . Wie die vergleichenden Anwendungstests zeigen, konnten die Standzeiten gegenüber dem Stand der Technik entscheidend, nämlich auf das beinahe 2,5-Fache verlängert werden.
- Ein weiterer besonderer Aspekt der Erfindung ist, dass die Erfinder herausgefunden haben, dass eine Zweilagenschicht nach Anspruch 4 dann die höheren Standzeiten liefert, wenn die dickere Grundschicht mit einer dünnen CrN-Schicht abgedeckt wird, wobei wiederum der hohe Cr-Anteil in der Gesamtschicht ein wichtiger Aspekt ist.
- Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Eine besonders abriebfeste Schicht, die sich für schwerst zerspanbare Materialien eignet ergibt sich dann, wenn die Schicht zwei Lagen hat, wobei die untere Lage von einer dickeren (TiAlCrκ)N-Grundschicht in der Zusammensetzung als homogene Mischphase gebildet ist, die von einer dünneren CrN-Deckschicht als obere Lage abgedeckt ist.
- Als Element (κ) zur Kornverfeinerung wird vorzugsweise Yttrium heran gezogen, wobei der prozentuale Anteil am Gesamt-Metallgehalt der Schicht unter 1 at %, vorzugsweise bei bis zu etwa 0,5 at % liegt.
- Vorzugsweise liegt die Gesamtdicke der Schicht zwischen 1 und 7 μm, da größere Dicken aufgrund zunehmender Schicht-Eigenspannungen zu Rissbildung neigen.
- Bei Ausbildung einer zweilagigen Schicht nach Anspruch 2 wird die Dicke der unteren Schicht vorzugsweise zwischen 1 und 6 μm, und die Dicke der dünneren Deckschicht zwischen 0,15 bis 0,6 μm festgelegt.
- Ein besonders guter Schichtaufbau lässt sich dann erzielen, wenn die Verschleißschutzschicht mittels kathodischer Lichtbogen-Verdampfung oder Hochrate-Magnetron-Zerstäubung abgeschieden wird.
- Um die Haftung der Verschleißschutzschicht am Werkzeug zu verbessern, wird die die Verschleißschutzschicht tragende Oberfläche des Werkzeugs vorzugsweise einer Substratreinigung mittels plasmaunterstütztem Ätzen mittels Edelgas-Ionen, vorzugsweise Ar-Ionen unterzogen, was beispielsweise mittels Niedervolt-Bogenentladung durchgeführt werden kann, wie es in der Patentanmeldung
DE 198 18 782 , auf deren Inhalt ausdrücklich Bezug genommen wird und deren Offenbarung in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird, beschrieben ist. - Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht an Hand eines Beispiels beschrieben. Dabei wird auf die Figur Bezug genommen, die beispielhaft gemittelte Standwege beim Fräsen in Titan mit Wolframkarbid-Inlay darstellt, wobei ein metallnitrid-beschichtetes Werkzeug des Wettbewerbs, eine sogenannte GÜHRING-Fire-Schicht (Ti,Al)N/TiN und die erfindungsgemäße Schicht nach Anspruch 1 in der besonderen Variante nach Anspruch 2, d.h. mit einer dickeren (Ti,Al,Cr,Y)N-Grundschicht und einer dünnen CrN-Deckschicht, miteinander verglichen werden.
- Mit Hilfe eines Arc-Beschichtungsverfahren wurde zunächst eine (Ti, Al, Cr, Y)N-Einzelschicht auf HSS- und Hartmetall-Fräswerkzeugen abgeschieden. Als Dampfquellen wurden eine Cr-Kathode und eine (Ti,Al,Y)-Kathode eingesetzt. Prozeßparameter: Substrattemperatur TS = 450° C, Bias-Spannung UB = –50 V, Gesamtionenstrom Jion = 14 A auf die zu beschichtenden Probesubstrate, Kathodenstrom für die Cr- bzw. TiAlY-Kathoden Ik = 300 A, reines Stickstoffplasma (Stickstoffpartialdruck pN2 = 5 Pa).
- Dem Beschichtungsprozess war eine Substratreinigung durch ein plasmaunterstütztes Ätzen (Beschuss mit Ar-Ionen aus einer Niedervoltbogenentladung) vorgeschaltet. Es wurden Vollhartmetallwerkzeuge beschichtet. Die Schichtdicke lag bei etwa 2,5 μm.
- Die Bestimmung der atomaren Konzentration in der Schichten wurde anhand von Empfindlichkeitsfaktoren bestimmt, die von Cr, Ti, TiN, TiAlN und Y2O3 Standards ermittelt wurden. Der geringe Anteil von Kohlenstoff in der Schicht wurde vernachlässigt und bei der Konzentrationsbestimmung nicht berücksichtigt. Die auf die Metallatome in der Schicht bezogenen Konzentrationen wurden im Bereich der Angaben in gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 4 wie folgt eingestellt:
Cr-Anteil: 60 at % Al-Anteil: 16,5 at % Ti-Anteil: 23 at % Y-Anteil: 0,5 at % - Die Phasenbestimmung der Schicht wurde wieder mittels Röntgenbeugung unter Θ – 2 Θ Geometrie mit Cu Kα-Strahlung durchgeführt (20 kV). Es konnte gezeigt werden, dass es sich um eine nitridische Mischphase der Elemente Ti, Al und Cr mit einer <111> Textur handelt.
- Anschließend wurde auf die Grundschicht eine dünne Deckschicht aus CrN – wieder im Arc-Verfahren – abgeschieden. Die Dicke der Deckschicht wurde bei etwa 0,4 μm eingestellt. Die Prozessparameter waren: Substrattemperatur TS = 450° C, Bias-Spannung UB = –50 V, Entladungsstromstrom für die Cr-Kathode Ik = 300 A, Gesamtionenstrom auf die zu beschichtenden Werkzeuge bei CrN-Deposition Jion = 9A, reines Stickstoffplasma (Stickstoffpartialdruck pN2 = 5 Pa).
- Damit ergab sich eine Gesamtschicht, in der – bezogen auf alle Metallatome in der Schicht der Cr-Anteil 65,6 at %, der Al-Anteil 14,2 at %, der Ti-Anteil 19,7 at % und det Y-Anteil 0,5 at % betragen hat.
- Vergleichende Tests:
- sDie Hartmetallfräser mit der im Beispiel beschriebenen Schicht wurden in einem Feldversuch hinsichtlich ihres Standwegs in Proben folgenden Aufbaus getestet: Titan-Basiswerkstoff mit Wolframkarbid-Inlay. Es kamen Strinfräser mit 16 mm Durchmesser zum Einsatz, wobei folgende Prozessparameter eingehalten wurden:
Schnittgeschwindigkeit 1000 m/min
Externe Ölkühlung
Zustellmaß ap = 25 mm
Zustellmaß ae = 2,5 mm - Als Maß für den erzielbaren Standweg kann die Anzahl der Werkstücke herangezogen werden, die sich mit den Werkzeugen mit vorgegebener Gütetoleranz bearbeiten lassen.
- Bei den vergleichenden Tests wurden Fräser identischer Geometrie mit herkömmlichen Schichten versehen, und zwar mit einer herkömmlichen Metallnitrid-Schicht und einer sogenannten GÜHRING-Fire-Schicht, d..h. einer (Ti,Al)N/TiN-Mehrlagen-Schicht.
- Die Figur zeigt, dass sich mit dem erfindungsgemäß beschichteten Werkzeug eine Standzeit erzielen lässt, die weit über dem Zweifachen der Standzeit liegt, die sich mit einer GÜHRING-Fire-Mehrlagenschicht (Ti,Al)N/TiN erzielen lässt. Unter Heranziehung der Erkenntnisse und Versuchsergebnisse, die mit der Schicht nach der eigenen älteren Patentanmeldung P 102 12 383 gewonnen und experimentell untermauert werden konnten, erlaubt dieses Testergebnis, die konkreten Werte für die Schicht mit entsprechenden Streubereichen anzugeben, wie sie in den Patentansprüchen enthalten sind.
- Mit diesem vorstehend beschriebenen Beispiel wurde also gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht ein hervorragendes Verschleißverhalten bei äußerst schwer zu bearbeitendem Werkstoff erreicht wird. Charakteristisch für die Verschleißschutzschicht ist nach wie vor, daß die Grundschicht in sich homogen ist und eine homogene kubische Mischphase darstellt. Das in die Schicht eingebaute Yttrium dient dabei der Kornverfeinerung. Darüber hinaus ist bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht weder die Verwendung einer Haftvermittlungsschicht, noch eine nachgeschaltete spezielle Wärmebehandlung notwendig, so daß die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht einfach hergestellt werden kann.
- Die Beschichtung wird vorzugsweise in einem reinen PVD-Verfahren (Kathodische Lichtbogenverdampfung) bei Substrattemperaturen von maximal 450°C abgeschieden.
- Die Gesamtdicke der Verschleißschutzschicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 7 μm.
Claims (9)
- Verschleißschutzschicht für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere rotierende Zerspanungswerkzeuge, im Wesentlichen bestehend aus Nitriden mit dem Metallkomponenten Cr, Ti und Al und inem geringen Anteil von Elementen (κ) zur Kornverfeinerung, gekennzeichnet durch einen Cr-Anteil von über 65%, vorzugsweise 66 bis 70%; einen Al-Anteil von 10 bis 23%; und einen Ti-Anteil von 10 bis 25%, jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht.
- Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zwei Lagen () hat, wobei die untere Lage () von einer dickeren (TiAlCrx)N-Grundschicht in der Zusammensetzung als homogene Mischphase gebildet ist, die von einer dünneren CrN-Deckschicht als obere Lage abgedeckt ist.
- Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Element (κ) zur Kornverfeinerung Yttrium dient, wobei der prozentuale Anteil am Gesamt-Metallgehalt der Schicht unter 1 at %, vorzugsweise bei bis zu etwa 0,5 at % liegt.
- Verschleißschutzschicht für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere rotierende Zerspanungswerkzeuge, im Wesentlichen bestehend aus Nitriden mit dem Metallkomponenten Cr, Ti und Al und vorzugsweise einem geringen Anteil von Elementen (κ) zur Kornverfeinerung, gekennzeichnet durch den Aufbau als Zweilagenschicht, wobei die untere Lage () von einer dickeren (TiAlCr)N- bzw. (TiAlCrx)N-Grundschicht in der Zusammensetzung als homogene Mischphase ist, die von einer dünneren CrN-Deckschicht als obere Lage abgedeckt ist, wobei die Grundschicht einen Cr-Anteil von über 30%, vorzugsweise 30 bis 65%; einen Al-Anteil von 15 bis 35%, vorzugsweise 17 bis 25%; und einen Ti-Anteil von 16 bis 40%, vorzugsweise 16 bis 35%, besonders bevorzugt 24 bis 35%, jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht, hat.
- Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Schicht zwischen 1 und 7 μm liegt.
- Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der unteren Schicht zwischen 1 und 6 μm und die Dicke der dünneren Deckschicht 0,15 bis 0,6 μm beträgt.
- Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mittels kathodischer Lichtbogen-Verdampfung oder Magnetron-Zerstäubung abgeschieden ist.
- Werkzeug mit einer Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Verschleißschutzschicht tragende Oberfläche des Werkzeugs einer Substratreinigung mittels plasmaunterstütztem Ätzen mittels Edelgas-Ionen, vorzugsweise Ar-Ionen unterzogen ist.
- Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das das plasmaunterstütze Ätzen mittels Niedervolt-Bogenentladung durchgeführt ist.
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